Mărăcineanu a absolvit științe fizico-chimice în 1910, începându-și cariera de profesor la Școala Centrală de Fete din București.
Pe când era acolo, Mărăcineanu a câștigat o bursă de la Ministerul Științei din România. Ea a decis să urmeze studii superioare la Institutul Radium din Paris.
Institutul Radium a devenit rapid un centru mondial pentru studiul radioactivității sub conducerea fizicianului Marie Curie. Ștefania Mărăcineanu a început să lucreze la teza de doctorat despre poloniu, un element pe care Curie l-a descoperit.
În timpul cercetărilor sale privind timpul de înjumătățire al poloniului, Mărăcineanu a observat că timpul de înjumătățire părea dependent de tipul de metal pe care a fost plasat.
Acest lucru a făcut-o să se întrebe dacă nu cumva razele alfa de la poloniu au transferat niște atomi ai metalului în izotopi radioactivi. Cercetările ei au condus la ceea ce este cel mai probabil primul exemplu de radioactivitate artificială.
Ștefania Mărăcineanu s-a înscris la Universitatea Sorbona din Paris pentru a-și termina doctoratul în fizică, pe care l-a obținut în doar doi ani!
După ce a lucrat timp de patru ani la Observatorul Astronomic din Meudon, s-a întors în România și a fondat primul laborator din țară pentru studiul radioactivității.
Ștefania Mărăcineanu și-a dedicat timpul cercetării ploii artificiale, cercetare care a inclus o călătorie în Algeria pentru a-și testa rezultatele.
Cu ajutorul unor săruri radioactive, a descoperit procedeul de declanşare artificială a ploii, iar în 1931 a provocat prima ploaie artificială din lume, în Bărăgan.
Ea a studiat, de asemenea, legătura dintre cutremure și precipitații, devenind prima care a raportat că există o creștere semnificativă a radioactivității în epicentru înainte de un cutremur.
În 1935, Irène Curie, fiica lui Marie Curie, și soțul ei au primit un premiu Nobel comun pentru descoperirea radioactivității artificiale.
Mărăcineanu nu a contestat premiul Nobel, dar a cerut ca rolul ei în descoperire să fie recunoscut.
Munca Ștefaniei Mărăcineanu a fost recunoscută de Academia de Științe a României în 1936, unde a fost aleasă ca director de cercetare, dar nu a primit niciodată recunoaștere globală pentru descoperire.
Muzeul Curie din Paris conține laboratorul de chimie original din Institutul Radium, unde a lucrat Mărăcineanu.
Ștefania Mărăcineanu a murit de cancer pe 15 august 1944.